Катушки управления контакторов могут подключаться к сетям постоянного и переменного тока, это зависит от типа устройства. В данной статье мы рассмотрим управление контактором от сети постоянного тока.
Коммутирующее устройство
Наиболее сильному механическому и электрическому износу подвержены контакты аппарата. Это связано с большим количеством операций включения / отключения в час. Для уменьшения износа контактной поверхности большее распространение получили линейные перекатывающиеся контакты.
Во избежание вибрации контактов контактная пружина создает предварительное нажатие, которое равно примерно половине конечной силы нажатия. На вибрации большое влияние оказывает жесткость крепления, как самого электрического контакта, так и устойчивость к вибрациям всего контактора в целом. В этом отношении хорошим примером может послужить конструкция контактора КПВ – 600 (рисунок ниже).
К скобе 2 жестко прикрепляется подвижный контакт 1. К этой же скобе крепится один конец дугогасительной катушки 3. Второй конец катушки и вывод 4 надежно крепится к изолированному основанию из пластмассы 5. Последнее крепится к стальной прочной скобе 6, которая является основанием аппарата. Подвижной контакт 7 выполняется в виде толстой пластины 7. Нижний конец пластины может поворачиваться относительно точки опоры 8. Благодаря данному свойству пластина может перекатываться по сухарю неподвижного контакта 1. С подвижным контактом 7 соединяется вывод 9 с помощью гибкой связи (проводника) 10. Контактное нажатие создает пружина 12.
В случае износа контактов сухарь 1 заменяется новым, а пластина может быть перевернута на 1800 и ее не поврежденная сторона может использоваться в работе, что приводит к определенной экономии на замене пластины.
Дугогасительные рога (контакты) 2,11 используются для уменьшения оплавления основных контактов при токах выше 50 А. Опорные точки дуги под действием магнитного поля дугогасительного устройства быстро перемещаются на скобу 2, которая соединяется с неподвижным контактом 1, и на защитный рог подвижного контакта 11. Пружина 13 возвращает якорь в начальное положение (после отключения магнита).
Номинальный ток является основным параметром контактора. Он, собственно, и влияет на размеры устройства.
Характерной особенность не только контактора КПВ-600, но и многих других типов, является электрическое соединение подвижного элемента с корпусом контактора. Магнитопровод находится под напряжением при включенном положении контактора. Соприкосновение с магнитопроводом является опасным для жизни, так как напряжение может оставаться на магнитопроводе и других деталях даже в выключенном положении контактора.
У серии контакторов КПВ имеется исполнение с размыкающимся главным контактом. Замыкание контакта производится пружиной, а размыкание под действием электромагнита.
Номинальный ток контактора – это ток прерывисто-продолжительного режима работы. В таком режиме контактор находится во включенном положении не более 8 часов, после чего аппарат должен быть несколько раз включен и отключен (необходимо для зачистки контактов от окиси меди). После чего аппарат снова начинает работу.
Если контактор расположен в шкафу управления, то номинальный ток снижается на 10% из-за ухудшения условий охлаждения.
При длительности включения более 8 часов (продолжительный режим работы) допустимый ток контактора снижается примерно на 20%. В таком режиме работы из-за окисления медных контактов возрастает переходное сопротивление, что может приводить к повышению температуры выше допустимой. Если контактор предназначен для малого количества коммутационных операций или длительного включения, то на рабочую поверхность контактов напаивают серебряную пластину. Серебряная накладка позволяет сохранить рабочий ток контактора на уровне номинального и в продолжительном режиме работы. Если же контактор на ряду с продолжительным режимом используется еще и в повторно-кратковременном режиме – использование серебряных накладок теряет смысл, так как серебро имеет малую механическую прочность и при частых включениях / отключениях серебряная пластина быстро изнашивается.
При ПВ = 40% (повторно-кратковременный режим) допустимый ток, как правило, составляет примерно 120% номинального. Для контактора КПВ-600 (по рекомендациям завода изготовителя) ток повторно-кратковременного режима вычисляется по формуле:
Здесь n – число включений в час.
Важно отметить, что если в повторно-кратковременном режиме при отключении нагрузки долго горит электрическая дуга (большая индуктивная нагрузка), температура контактов резко увеличится за счет нагрева дугой. В таком случае нагрев контактов в повторно-кратковременном режиме работы может быть выше, чем в продолжительном.
Как правило, контактная система имеет один полюс.
Сдвоенная контактная система применяется для реверса асинхронных электродвигателей при большом количестве включений в час (больше 1200). Контакторы типа КТПВ – 500, которые имеют электромагнит постоянного тока, подвижные контакты изолированы от корпуса, что положительно влияет на безопасность аппарата при обслуживании. Ниже на рисунке показана схема включения контактора для реверса асинхронных электродвигателей:
Двухполюсная схема имеет большое преимущество над однополюсной схемой. При отказе одного из контакторов напряжение будет подано только на одну фазу электродвигателя. В случае же с однополюсной системой выход одного из контакторов из строя приведет к возникновению двухфазного питания асинхронного двигателя, что является тяжелым режимом работы машины.
Также контакторы с двухполюсным питанием довольно удачно используются для закорачивания сопротивлений в цепи ротора асинхронного электродвигателя с фазным ротором.
Двухполюсная система также применяется и в контакторах типа КТПВ – 521. Данный тип контакторов предназначается для включения и отключения приводов постоянного тока масляных выключателей. Наличие двухполюсной системы контактов обеспечивает надежное отключение индуктивной нагрузки.
Дугогасительное устройство
Устройства с электромагнитным дутьем получили широкое распространение в контакторах постоянного тока. При взаимодействии магнитного поля с дугой возникает электродинамическая сила, которая и перемещает дугу с большой скоростью. Чтобы охладить электрическую дугу максимально быстро, ее «загоняют» в щель из дугогасительного материала, который имеет высокую теплопроводность. При расщеплении контактов 1 и 7 (рисунок выше) между ними возникает дуга 14. Дугу можно рассматривать как проводник с током. МДС (магнитодвижущая сила) создается катушкой 3, под действием которой и создается магнитный поток. Данный поток проходит полюсные наконечники 15, сердечник катушки и воздушный зазор, в котором и горит электрическая дуга. Ниже на рисунке выше крестиками выделено направление магнитного потока между полюсами системы, направленного за плоскость чертежа.
Вольт-амперную характеристику дуги нужно поднимать с ростом тока для обеспечения условий гашения электрической дуги. Этого можно достичь либо за счет механического растяжения дуги, либо за счет электродинамических сил.
На рисунке ниже приведена зависимость раствора контактов, при котором и происходит гашение электрической дуги, от тока магнитной индукции, полученная О. Б. Броном на макете контактора.
Кривые имеют один и тот же характер при всех значениях индукции В – при токе 5 – 7 А кривая достигнет максимума, после чего необходимый раствор падает с ростом тока и при токе в 200 А все кривые сливаются. Такой ход кривых можно объяснить следующим явлением. Действующая на единицу дуги электродинамическая сила будет равна:
Где I – ток, а B – индукция магнитного поля.
Рассмотрим случай, показанный на кривой 1, когда B = 0. Электродинамическая сила получается очень не значительной при малом токе и не оказывает практически никакого влияния на процесс гашения электрической дуги. Необходимые для гашения условия создаются благодаря механическому растяжению дуги подвижными контактами. При этом гашение электрической дуги с ростом тока наступает при большей ее длине.
Если ток больше 7 А на электрическую дугу начинает воздействовать электродинамическая сила, которая возникает как за счет магнитного поля подводящих проводников, так и за счет конфигурации самой дуги (в грубом приближении можно представить, что электрическая дуга всегда имеет форму части окружности). Данные силы играют решающую роль в процессе гашения электрической дуги. Чем больше ток в электрической цепи – тем выше электродинамическая сила, растягивающая дугу. В результате раствора контактов всего в 1,5 · 10-3 достаточно для гашения электрической дуги при токе в 200 А. При таком токе, как только контакты механически разойдутся, возникшая электродинамическая сила вытолкнет дугу из межконтактного зазора со скоростью несколько десятков метров в секунду. При этом длина электрической дуги, при которой она погаснет, может достигать 0,1 м и даже более.
Присутствие внешнего магнитного поля способствует резкому сокращению раствора контактов контактора в области малых токов и несущественно сказывается на процесс гашения при токах 100 А и более. Наиболее оптимальной индукцией является B = 0,0069 T. Последующее наращивание индукции слабо влияет на процесс гашения дуги, но требует больше мощности для создания магнитного поля и увеличения затрат меди на катушку.
Графики зависимости длительности горения дуги от тока показаны на рисунке ниже:
По своей форме они напоминают кривые из предыдущего графика.
Раствор контактов, необходимый для гашения электрической дуги, увеличивается с ростом тока в области малых токов. При фиксированной скорости движения контактов требуется больше времени для достижения необходимого раствора. В области больших токов процесс гашения определяют электродинамические силы. Логика проста – чем больше ток, тем больше скорость растяжения дуги динамическими силами и, соответственно, меньше время, необходимое для достижения электрической дугой критической длины.
Хотя применение магнитного дутья при токах свыше 100 А может показаться излишним (графики выше иллюстрируют это), но во всех контакторах на токи 100 А эта система обязательно применяется. Причина использования такой системы заключается в том, что наличие внешнего магнитного поля сильно «помогает» перемещению опорных точек дуги с электрических контактов на дугогасительные электроды – рога, чем значительно уменьшают степень оплавления контактов. Исследования показали, что оптимальное значение магнитного поля существует для каждого значения тока. При большой напряженности возникает усиленный износ контактов, так как жидкометаллический контактный мостик, возникающий в стадии размыкания контактов, уносится и распыляется магнитным полем.
Только в области малых токов (до 30 А) величина напряжения отключаемой цепи утяжеляет процесс гашения электрической дуги. В области токов свыше 100 А, где решающую роль играет электродинамическая сила, величина питающего напряжения практически не оказывает влияния на раствор контактов. Раствор контактов, как правило, определяется условиями гашения малого тока и берется в пределах (10 — 17)·10-3 м.
При малых нагрузках характеристики отключаемой цепи также играют немаловажную роль в области, где гашение дуги происходит за счет механического растяжения электрической дуги. В области больших токов не стоит забывать о возможных больших перенапряжениях и повторных пробоев из-за резкого падения тока к нулю под действием сильного магнитного поля.
Способы создания магнитного поля для гашения электрической дуги могут быть с параллельным включением катушки магнитного дутья (катушка напряжения), с постоянным магнитом, а также с последовательным включением катушки магнитного дутья (катушка тока).
В случае катушки тока, то она обтекается проходящим в отключающей цепи током. Если магнитным сопротивлением стали пренебречь, то можно предположить, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда формулу (1) можно привести к виду:
Таким образом, можно сделать вывод, что действующая на единицу электрической дуги сила пропорциональна квадрату тока.
Ранее было показано, что необходимую величину магнитного поля для дутья нужно иметь в области малых токов. Система с катушкой тока не создает нужной индукции магнитного поля в этой области (кривая 4 на рисунке выше). На том же рисунке отображена длительность горения дуги и электродинамической силы, которая на нее действует, от тока для контактора на 150 А. Кривые времени дуги 1 – без магнитного дутья, 2 – магнитная система с катушкой тока. В случае 2 при токе в 10 А длительность горения дуги может достигать 0,09 с. В таком случае становится возможным устойчивое горение электрической дуги без ее погасания.
Надежно отключаемый ток контактора с катушкой тока составляет примерно 20% – 25% номинального тока аппарата (опытные данные).
В области малых токов применяют блок-контакторы (контакторы на небольшой ток) со сменными катушками магнитного дутья. Номинальный ток таких катушек 1,5 – 40 А. При малом отключаемом токе устанавливается катушка с большим количеством витков, благодаря чему создается необходимое магнитного поле для гашения дуги за минимальное время.
Также нельзя забывать о том, что при сильном магнитном дутье возможен резкий обрыв тока, что приведет к перенапряжению в индуктивной цепи. Блок-контактор может отключать ток не более трехкратного значения номинального тока катушки магнитного дутья.
К достоинствам системы с катушкой тока можно отнести:
- Данная система отлично работает в области токов свыше 100 А. В таком случае магнитное поле быстро сдувает дугу с рабочей поверхности контактов, чем минимизирует их износ.
- Направление тока не влияет на работу системы. При смене направления тока знак меняет и магнитное поле, но сила, действующая на электрическую дугу, не меняет своего направления.
- Так как через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Это повышает ее механическую прочность и уменьшает влияние ударов, возникающих при работе контактора. К изоляции катушки не предъявляются высокие требования, так как падение напряжения на катушке составляет доли вольта.
Но поскольку наш мир не идеален, то такая система имеет и свои недостатки:
- Плохое гашение дуги при малых токах (5 – 7 А).
- Большие затраты на материал катушки (медный провод большого сечения).
- Выделяемое дугогасительной катушкой тепло нагревает контакты.
Но поскольку такая система надежна при гашении номинальных и больших токов, несмотря на недостатки, она получила довольно широкое распространение.
При параллельной же системе катушка магнитного дутья подключается к независимому источнику питания. Создаваемая системой магнитная индукция постоянна и абсолютно не зависит от отключаемого тока.
Согласно формуле (1), сила, действующая на дугу пропорциональна отключаемому току:
На рисунке выше эта зависимость отображена кривой 5 для случая, когда МДС катушки напряжения равна МДС катушки тока при номинальном токе. При токе от 0 до Iн сила, которая действует на дугу, при катушке напряжения будет выше, чем при использовании катушки тока (парабола 4 идет ниже прямой 5). Это свойство позволяет резко снизить в области малых токов время горения электрической дуги. А вот в случае, когда I > Iн сила, действующая на дугу, при катушке тока будет больше, чем при катушке напряжения. Однако для процесса гашения дуги это не имеет существенного значения, так как главную роль играют силы, возникающие в самом контуре дуги.
На кривой 3 (рисунок выше) показана для системы с катушкой напряжения зависимость времени гашения дуги от тока.
При одной и той же длительности горения дуги катушка напряжения ведет лучше в области малых токов, в отличии от катушки тока, так как требуется меньшая МДС. Но не стоит забывать о недостатках таких систем:
- Направление электродинамической силы, гасящей дугу, полностью зависит от направления тока. Такой контактор не может работать при смене полярности тока.
- Изоляция катушки должна быть рассчитана на напряжение источника питания и выполняется из тонкого провода. Снижает надежность ее работы близкое расположение к силовым контактам (брызги расплавленного металла могут попадать на катушку).
- В случае коротких замыканий возможно резкое снижение напряжения на источнике питания катушки, что также резко снижает эффективность гашения электрической дуги.
В связи с вышеперечисленными недостатками, система с катушкой напряжения применяется (как правило) для отключения небольших токов от 5 А до 10 А. В электрических аппаратах с большими отключаемыми токами данная система не применяется.
Система с постоянным магнитом мало отличается от системы с катушкой напряжения. Разница в том, что магнитное поле создается постоянным магнитом.
Но также не стоит забывать и том, что постоянный магнит имеет ряд преимуществ:
- Нет затрат энергии на создания магнитного поля;
- Уменьшается расход меди при изготовлении контактора;
- Нет подогрева контактов от катушки;
- Обладает высокой надежностью и одинаково хорошо работает при любых токах;
- Применение постоянного магнита позволяет снизить время горения дуги при малых токах;
Создаваемая магнитным полем сила переносит электрическую дугу в дугогасительную камеру. Назначение камеры – локализовать область, занятую раскаленными газами и создавать препятствия перекрытию между соседними полюсами. Интенсивное охлаждение дуги происходит при соприкасании ее со стенками дугогасительной камеры, что приводит к успешному гашению (подъему вольт-амперной характеристики). В качестве материала дугогасительной камеры нужно применять дугостойкую керамику.
Лабиринто-щелевая керамика является наиболее совершенной. В суживающуюся зигзагообразную щель дуга загоняется магнитным полем (рисунок ниже б)). Благодаря хорошему тепловому контакту со стенками камеры и увеличению длины дуги она эффективно гасится. Если сравнивать с обычной продольной щелью (рисунок ниже а)), зигзагообразная щель значительно уменьшает количество выбрасываемых из дугогасительной камеры раскаленных газов, и, следовательно, зону выхлопа.
Электромагнитная система контактора постоянного тока
Электромагниты клапанного типа получили более широкое распространение в контакторах с приводом от постоянного тока.
Для повышения механической изностойкости применяют вращение якоря на призме. Такая компоновка электромагнита и контактной системы с применением специальной пружины 16 (первый рисунок), прижимающей якорь к призме, позволяет повысить износостойкость узла вращения у контакторов КПВ-600 до 20·106. Зазор между опорной призмой и скобой якоря автоматически выбирается по мере износа призменного узла. В случае, если будет применено подшипниковое соединение магнитопровода и якоря, то по мере износа подшипника будут появляться люфты, которые нарушают нормальную работу электрического аппарата.
Подвижная система контактора должна быть уравновешена относительно оси вращения, так как это напрямую влияет на ударо- и вибростойкость. Наиболее простым и типичным примером является контактор типа КПВ-600 (первый рисунок). Якорь магнита уравновешивается хвостом, на котором закрепляется подвижный контакт. На хвост якоря также действует возвратная пружина. На тонкостенную изолированную стальную гильзу наматывается катушка электромагнита. Такая конструкция катушки улучшает тепловой контакт катушки с сердечником и обеспечивает хорошую прочность. Улучшение теплового контакта способствует уменьшению габаритов контактора и снижению температуры катушки.
Электромагнит преодолевает при включении силы контактной и возвратной пружин. Тяговая характеристика электромагнита должна всегда идти выше характеристик противодействующих пружин при минимальном допустимом напряжении на катушке (0,85Uном) и нагретой катушке. Включение всегда должно происходить при нарастающей скорости. В момент замыкания главных контактов замедлений быть не должно.
Характеристика противодействующих сил, приведенных к якорю электромагнита контактора, показана на кривой 4 (рисунок выше). Ординаты данной кривой представляют собой: 1 – сила тяжести, 2 – сила возвратной пружины, 3 – сила контактной пружины.
Самым тяжелым моментом при включении является преодоление противодействующей силы в момент касания главных контактов. Это связано с тем, что электромагнит должен развивать значительное усилие при большом зазоре. Коэффициент возврата kв = Uотн / Uср является далеко не маловажным параметром. kв, как правило, мал для контакторов постоянного тока (0,2 – 0,3), что не позволяет использовать контактор для защиты электродвигателя от снижения напряжения.
Максимальное напряжение на катушке не должно быть больше 110%Uн, так как при превышении данного значения усиливается износ механических компонентов из-за усиления ударов якоря, а температура катушки может превысить допустимую величину.
В контакторах КТПВ (имеют сдвоенную магнитную систему) с номинальным током в 600 А устанавливаются два параллельно работающих электромагнита, так как одного не достаточно для развития силы нормального замыкания контакта.
Рабочий ход якоря выбирается небольшим (8 — 10)·10-3 м для уменьшения МДС обмотки и, следовательно, потребляемой ею мощности. Расстояние точки касания подвижного контакта от оси вращения подвижной системы берется в 1,5 – 2 раза больше, чем расстояние от оси полюса до оси вращения. Это необходимо для надежного гашения дуги при малых токах, а для этого требуется раствор контактов (17 — 20)·10-3 м.
Время движения якоря контактора и время нарастания потока до значения потока трогания составляют собственное время включения. Большая часть указанного времени тратится на нарастание потока. Собственное время включения для контакторов с номинальным током 100 А составляет 0,14 сек, а с током 630 А – 0,37 сек.
Время от полного снятия питания с катушки контактора до полного размыкания контактов называют собственное время отключения. Оно определяется временем спада потока от установившегося до значения потока отпускания. Время с начала движения до размыкания контактов на столько мало, что им можно пренебречь. Электрическая цепь обмотки быстро разрывается отключающим аппаратом, поэтому переходные процессы в обмотке мало сказываются на спаде потока. Данный процесс в основном определяется циркулирующими в массивных элементах магнитной цепи токами (в основном это токи в цилиндрическом сердечнике, на который посажена катушка). Поскольку удельное электрическое сопротивление стали довольно велико, эти точки создают небольшое замедление в спадании потока. В контакторах на 630 А собственное время отключения составляет 0,23 сек, а в контакторах на 100 А – 0,07 сек. Поскольку к контакторам серии КМВ предъявляются особые требования, так как они предназначены для включения / отключения электромагнитов приводов масляных выключателей, у этих контакторов электромагнитный механизм допускает регулировку напряжения срабатывания и отпускания за счет регулировки силы специальной отрывной пружины и возвратной пружины. Контакторы типа КМВ должны выдерживать глубокие просадки напряжения и не отключать при этом электрическую цепь. Именно поэтому минимальное напряжение срабатывания у этих контакторов может опускаться до 65%Uном. Такое понижение напряжения срабатывания приводит к тому, что через обмотку протекает повышенный ток, приводящий к ее более интенсивному нагреву. В связи с этим время включения на пониженное напряжение является лимитированным (для данного типа контакторов время ограниченно 15 сек).
